大渡河沙灣水電站水輪機選型及運行分析

張 冰 雪， 呂 勤 川， 程 海 峰

(1.四川圣達水電開發有限公司，四川 成都 610041；2.四川省水利水電勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 工程概況

大渡河沙灣水電站位于四川樂山沙灣區葫蘆鎮河段，為大渡河干流下游梯級開發的第一級，上游為已建銅街子電站，下游為在建安谷電站。工程開發任務以發電為主，兼顧灌溉和航運。電站采用一級混合式開發，建壩壅水高15.5 m，與銅街子電站尾水相接，河床式廠房，廠后接9 015 m長的尾水渠，尾水渠利用落差14.5 m。水庫正常蓄水位432.0 m，水庫總庫容4 867萬m3。安裝4臺總容量480 MW軸流轉槳式水輪發電機組，多年平均年發電量24.07億kWh。

2 裝機容量選擇

2.1 方案擬定

根據水能計算成果，沙灣水電站多年平均流量為1 490 m3/s，正常蓄水位受上游銅街子電站尾水以及庫尾福祿集鎮淹沒情況控制，經對431、432、433 m進行比較后確定正常蓄水位為432 m，考慮上游銅街子電站裝機和運行實際，參考電站裝保倍比以及裝機利用小時數，擬定440、480、520 MW三個方案。

2.2 與上游梯級電站引用流量協調

銅街子電站日內運行方式為當大渡河枯水期天然流量大于400 m3/s時，按400 m3/s放水，電站可適當調峰；當天然流量小于400 m3/s時，按天然來水放水，使沙灣以下航運不受影響。銅街子電站設計引用流量2 300 m3/s，該站扣除庫區用水97 m3/s(大沫72、沫江堰15、下游基流10)，可引流量為2 203 m3/s。從裝機容量引用流量分析，480 MW方案引用流量完全協調；440 MW方案引用流量尚有180 m3/s富裕，而該電站運行受下游航運要求影響，必須保證與銅街子電站同步運行，會導致強迫棄水；520 MW方案引用流量大于銅街子電站引用流量，前期尚可多發部分汛期電量，但隨著干流中、上游龍頭水庫雙江口、下爾呷建設，上游調豐補枯能力進一步加強，該方案增發的汛期電量將越來越有限。

2.3 動能經濟比較

考慮瀑布溝水庫的補償調節作用并扣除了庫區用水，以4臺水輪機ZZD345E按三個典型年進行逐日計算，結果見表1。

從能量指標來看，由于該電站與上游銅街子電站同步運行，考慮下游航運要求，自身日內調節能力不強，近期該站枯期電量約占年發電量的24.4%～25.8%，電站保證出力為151 MW，裝保比2.9～3.4，各方案之間增加電量主要是汛期電量。再考慮中遠期上游出現雙江口、下爾呷水庫對該電站調節補償作用，計算年內分期電量變化情況。中期枯期電量約占年發電量的28.7%～30.1%，較近期增加枯期電量11 423萬kWh，電站保證出力為171 MW，裝保比2.5～3.0；遠期枯期電量約占年發電量的32.1%～33.4%，較近期增加枯期電量21 465萬kWh，電站保證出力為190MW，裝保比2.3～2.7。隨著裝機容量的加大，年發電量隨之增大，而且中遠期枯期出力、電量有明顯增加，日內調節能力有較大提高，可向系統提供寶貴的枯期電能，為了資源的合理利用以及適應負荷發展需要，適當增大裝機是有利的。

表1 沙灣水電站裝機容量比較表

2.4 投資與電站單位指標

裝機容量加大，單位千瓦投資逐步遞減，而單位電能投資卻呈逐步遞增。從差值指標情況看，裝機容量從440 MW到480 MW，增加工程投資1.61億元，增加年發電量7 186萬kWh，補充千瓦投資4 021元/kW，低于方案自身千瓦投資，補充電能投資2.24元/kWh，尚屬經濟范圍內；從480 MW到520 MW，增加工程投資1.82億元，增加年發電量6 099萬kWh，補充千瓦投資4 542元/kW，也低于方案自身千瓦投資，但補充電能投資高達到2.98 元/kWh，可見從480 MW到520 MW方增加投資應是不經濟的。

2.5 電力電量平衡分析

沙灣水電站加入四川電網電力系統進行電力電量平衡。根據設計水平年2015年四川電網相關數據分析，該站各裝機容量方案均為必需容量，基荷出力容量各方案均為100 MW，檢修容量分別為110 MW、120 MW、130 MW，可以用于調峰的出力57 MW，冬季12月份典型日調峰工作容量分別為230 MW、260 MW、290 MW，電站調峰時間約5小時。

2.6 最后選擇

綜合考慮，選擇裝機容量為480 MW。

3 水輪機額定水頭選擇

3.1 水頭影響因素

根據相關數學模型計算成果，尾水渠泥沙淤積20年基本達到平衡，最大淤積厚度0.75 m，尾水位僅抬高約 0.09 m，尾水渠泥沙淤積對電站利用水頭幾乎無影響；沙灣電站尾水渠考慮采取封閉式防滲墻處理滲流后，總滲流量僅為 1.1 m3/s ,占引用流量僅0.5‰，尾水渠滲流也不會對電站利用水頭造成影響。根據水能計算成果，在不考慮尾水渠泥沙淤積情況下沙灣水電站最大水頭27.76 m，最小水頭23.57 m，年加權平均水頭25.79 m，汛期加權平均水頭24.84 m。

3.2 3種額定水頭方案比較

該電站水力受阻主要在7～10四個月。結合汛期水頭分布情況，本著控制電站受阻時間，減少電站引用流量，從而節約尾水渠工程量和投資的原則，按水頭保證率在75～95%之間擬定了24 m、24.5 m、25 m三個額定水頭比較，見表2。

表2 沙灣水電站額定水頭比較表

由表2可見，額定水頭由25 m降到24.5 m，電站年發電量增加2 155萬kWh，投資增加1 326萬元，增加單位電能投資0.62元/ kWh，低于基本方案的單位電能投資，說明額定水頭由25 m降到24.5 m是經濟的；額定水頭由24.5 m降到24 m，電站年發電量僅增加742萬kWh，投資增加2 096萬元，增加單位電能投資達2.82元/ kWh, 遠高于基本方案的單位電能投資，說明額定水頭不宜再降低。因此沙灣水電站額定水頭選定為24.5 m。

4 水輪機型式選擇

4.1 選擇范圍

根據沙灣電站的運行水頭范圍，按照水輪機系列型譜和有關資料，沙灣電站可供選擇的機型有燈泡貫流式水輪機、軸流轉槳式水輪機、混流式水輪機。

4.2 燈泡貫流式水輪機單機容量不能滿足要求

當時，國內燈泡貫流式水輪機最大單機容量在40 MW，該站單機容量為100 MW左右，故不宜采用燈泡貫流式水輪機。

4.3 混流式水輪機沒有明顯優勢

過機單位流量偏小，限制工況Q′1只能達到1 370 l/s，機組造價和土建投資偏大。

4.4 可選模型轉輪

該站最高水頭27.76 m，為滿足水輪機強度要求，選用5葉片的軸流轉槳式水輪機。比較好的模型轉輪有富春江水電設備總廠90年代初期研制的F24模型轉輪、中國水科院在90年代后期研制的JK508模型轉輪和東方電機用于江西萬安擴建的D345E轉輪。F24模型轉輪最高效率為90.5%，限制工況Q′1達1900 l/s，水輪機限制工況汽蝕系數為0.67。中國水科院在90年代后期研制的JK508模型轉輪，轉輪葉片數5葉片，推薦使用水頭32 m，最高效率高達91.6%，比F24轉輪最高效率高1.1%,限制工況Q′1達1800 l/s，水輪機限制工況汽蝕系數為0.72。江西萬安擴建的D345E轉輪，模型轉輪最高效率為92.8%，比JK508模型轉輪最高效率高1.2%，限制工況Q′1達1800 l/s，水輪機限制工 況 汽 蝕 系 數 為0.6。

4.5 最后選擇

江西萬安擴建機組，額定水頭22 m，發電機出力112 MW，水輪機轉輪直徑8.5 m，與沙灣電站情況非常接近，故被選。

5 水輪機臺數選擇

該站裝機容量為480 MW，機組臺數按三、四、五臺進行比較，相應單機容量為160 MW、120 MW、9.60 MW。比較見表3。

三個方案技術可行，機組制造難度相當；經濟均上，四臺機方案機組總重量比三臺機方案機組總重量減少235噸，五臺機機組總重量比四臺機方案機組總重量減少200噸；土建投資則隨機組臺數增加而相應增加，綜合后四臺方案較三臺方案增加投資2 374萬元，五臺方案較四臺方案增加投資3 329萬元，而各方案間年發電量差別較小，考慮到上游已建銅街子電站裝機臺數為四臺，為滿足上下游梯級電站協調運行要求，確定選四臺機。

表3 沙灣水電站機組臺數比較表方案

6 水輪機最終主要技術參數及運行分析

6.1 最終選定的水輪機主要技術參數

水輪機型號ZZD345E-LH-850，轉輪直徑8.5 m，額定轉速76.9 r/min，額定流量549.5 m3/s，額定出力123.1 MW，飛逸轉速(協聯/非協聯)165/185(r/min)，額定工況點效率92.7%，吸出高度-8.54 m，轉輪葉片中心線高程395.00 m，活動導葉數/槳葉數24/5，轉輪總重(含油)300 t，水輪機總重1 380 t。

6.2 能量特性(效率、出力)

該電站未進行專門的模型轉輪開發，采用的是萬安水電站已有模型轉輪，未進行專門的模型試驗和模型驗收試驗。根據相關文件，ZZD345E轉輪能量指標高，其模型額定點水輪機效率 91.1%，對應電站的原型效率為 92.97%；模型最高效率 92.8%，對應電站原型最高效率為 94.7%，滿足機組設計要求。自首臺機組2009年4月23日、最后一臺機組2010年3月25日投入商業運行以來，電站日發電量于2011年7月17日達到1170.36萬kWh，月發電量于2011年3月達到3.167億kWh，年發電量2012年達到20.726億kWh。截止2013年6月25日24時止，四臺機組累計運行時間分別達到11 648.46、18 248.13、16 710.2、20 333.72 h,累計發電量分別達到16.68、18.78、16.95、22.75億kWh，最大負荷分別達到125、123、124、123 MW，機組運行的最高水頭是27.87 m，最小水頭是16.46 m，滿足設計對水輪機出力的要求。

6.3 空化、空蝕特性

目前4臺機組的運行時間已達到設計文件規定的機組保證期，從歷次檢修檢查情況看，活動導葉、固定導葉、轉輪葉片、尾水管等未發現明顯空蝕及磨損現象，轉輪葉片局部和導葉上端面有輕微空蝕。1號機組A修檢查處理情況： 轉輪室無明顯汽蝕、磨損及裂紋情況；轉輪體上與葉片進水邊根部對應的位置有300 mm×400 mm輕度汽蝕，一片葉片進水邊背面法蘭根部有100 mm×150 mm輕度氣蝕，刨去氣蝕部分，露出母材，補焊后打磨，打磨線型基體保持原狀表面光潔； 葉片無裂紋，局部有輕微機械損傷?？傮w來看水機各部件空化空蝕特性滿足要求。

6.4 運行穩定性

6.4.1 穩定運行范圍

具體要求為：水輪機在空載情況下能穩定運行；在規定的21.24 m～28.24 m水頭條件下，機組出力在相應水頭下的35%～100%出力保證值時，水輪機均能連續穩定運行，保證出力范圍為給定水頭下各保證出力的連線。實際情況是4臺機組帶負荷30 MW～60 MW時，振動較大，這表明機組的振動區偏大。

6.4.2 穩定運行的指標要求。

尾水管壓力脈動、頂蓋垂直振動值及水導軸承處主軸的擺度不超過有關標準規定。在全部運行范圍內，在水輪機機坑腳踏板上方l m處，用噪音表測量的噪聲不超過90 db(A)，在距尾水管進人門l m處的噪聲，用噪音表測量的噪聲不超過95 db(A)。

6.4.3 穩定運行的實際指標。

模型試驗參考資料表明，在電站實際運行水頭范圍內尾水管下游側最大壓力脈動為 4%，各特征水頭段的壓力脈動滿足要求，水輪機可在正常的運行范圍內安全穩定運行。機組在線監測系統顯示4臺機組在一定工況下機組振動值明顯偏大。運行穩定性試驗報告顯示：1號機組試驗時上游水位424.30 m，尾水水位404.4 m，機組在50 MW負荷時水導擺度385 μm。在該試驗水頭下，機組在30～70 MW負荷區間為典型的由尾水管渦帶引起的低頻水力振動區。2號機組試驗時上游水位423.82 m，尾水水位403.83 m，機組在120 MW負荷時水導擺度91.9 μm。在該試驗水頭下，機組在30 MW負荷附近區域為高頻水力振動區；在40～70 MW負荷區間為典型的由尾水管渦帶引起的低頻水力振動區。3號機組試驗時上游水位427.6 m，尾水水位405.00 m，機組在80 MW負荷時水導擺度431 μm，在120 MW負荷時水導擺度208 μm。在該試驗水頭下，機組在10～30 MW負荷區間為高頻水力振動區；在30～90 MW負荷區間為典型的由尾水管渦帶引起的低頻水力振動區。4號機組試驗時上游水位426.7 m，尾水水位405.35 m，機組在100 MW負荷時水導擺度494 μm。在該試驗水頭下，機組在27 MW負荷附近區域為高頻水力振動區；在50～70 MW負荷區間為典型的由尾水管渦帶引起的低頻水力振動區。

6.4.4 分析結果

分析顯示，運行穩定性基本滿足生產需要，但存在明顯的振動區。

7 結 語

綜合以上情況，沙灣水電站的水輪機選型設計是合理的，但由于機組振動偏大，需盡量避開水輪機的不穩定區域運行。同時，需完成全水頭段的穩定性試驗，系統觀測，積累數據，分析規律，結合真機的實際運行情況科學劃分運行區域，確保水輪機的運行穩定性和可靠性；對運行過程中出現的問題及時處理，以避免振動、擺度過大造成瓦隙擴大及固定部件的松動；增加機組檢查、檢修深度防范事故于未然。